(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を膨張させて駆動力を発生する膨張機と、
上記膨張機からの上記冷媒を凝縮する凝縮器と、
上記膨張機の駆動力が伝達されるように出力軸を介して上記膨張機に連結され、上記凝縮器からの冷媒を圧送するポンプと、
上記ポンプからの冷媒を加熱して上記膨張機へ送る蒸発器と
を備える排熱回生システムであって、
上記ポンプから上記蒸発器に至るまでの冷媒流路と上記膨張機から上記凝縮器を介して上記ポンプに至る冷媒流路との間を接続する第１バイパス流路を構成し、上記第１バイパス流路を流れる上記冷媒の流量を調整可能な流量調整手段を有する第１バイパス手段と、
上記ポンプから圧送される上記冷媒の圧力に関する情報を取得する第１圧力センサと、
上記第１圧力センサの出力に基づいて、上記流量調整手段の駆動を制御する冷媒流量制御手段と
を備えていることを特徴とする排熱回生システム。
【請求項２】
上記ポンプから上記蒸発器に至るまでの冷媒流路と上記膨張機から上記凝縮器に至る冷媒流路とを接続する第２バイパス流路を構成し、上記第２バイパス流路に組み込まれる冷媒タンク、及び上記第２バイパス流路を開閉自在に設けられる冷媒流入選択手段を有する第２バイパス手段と、
上記凝縮器から上記ポンプに導かれる上記冷媒の圧力に関する情報を取得する第２圧力センサと、
上記凝縮器から上記ポンプに導かれる上記冷媒の温度に関する情報を取得する低圧側温度センサと
を備え、
上記冷媒流量制御手段は、上記第２圧力センサの出力に対応する上記冷媒の飽和温度、及び上記低温側温度センサの出力に基づいて、上記冷媒流入選択手段による上記第２バイパス流路の開閉を行って、上記冷媒タンクへの上記冷媒の流れ込みを制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の排熱回生システム。
【請求項３】
上記蒸発器から上記膨張機に導かれる上記冷媒の温度に関する情報を取得する高圧側温度センサを備え、
上記冷媒流量制御手段は、上記高圧側温度センサの出力に基づいて上記膨張機の回転速度を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排熱回生システム。
【請求項４】
上記第１バイパス流路を全閉可能な開閉手段を備え、
上記冷媒流量制御手段は、上記第１圧力センサの出力に基づいて、上記開閉手段の開閉を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の排熱回生システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、自動車などのエンジンを冷却する冷却水や排ガスからの排熱をランキンサイクルの利用により動力として回生する排熱回生システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の廃熱利用装置は、液相作動流体（液相冷媒）を圧送するポンプ、液体の冷媒を加熱して、気相作動流体（気相冷媒）とする発熱機器（蒸発器）、気相作動流体（気相冷媒）のエネルギーを機械的エネルギーに変換する膨張機、及び膨張機から流出される膨張後の気相冷媒を凝縮液化しポンプに送る凝縮器を備えるランキンサイクルと、回転電機とを備え、膨張機、ポンプ、及び電動機が、同軸に接続され、膨張機の吸入側と吐出側とが、バイパス流路によりバイパスされ、バイパス流路を開閉する開閉手段が設けられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
そして、従来の廃熱利用装置では、起動時に開閉手段を開状態とし、膨張機の吸入側に導かれた液相冷媒の大部分を、膨張機を通さずに、膨張機の吐出側に導くことで、ランキンサイクルの起動の安定化が図られていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−９７３８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の廃熱利用装置は、開閉手段を開状態とすることで、気相冷媒の大部分を、膨張機を通さずに膨張機の吐出側に導いて、起動の安定化を図ることができるものの、運転中に膨張機に吸入される気相冷媒の流入量を調整できない。
【０００６】
ここで、ポンプと膨張機が同軸に接続されるので、ポンプと膨張機は、同一の回転速度で回転されることになる。
【０００７】
従来の廃熱利用装置と同種の排熱回生システムにおいては、特定の回転速度でポンプと膨張機とが回転される場合を除き、ポンプから吐出される冷媒（液相）の量と、膨張機で適正処理できる冷媒（気相）の量は異なる。
従来の廃熱利用装置と同種のシステムでは、ポンプから吐出される冷媒の量が、膨張機で適正処理される冷媒の量より多いと、ポンプの吐出側での圧力が異常に高くなり、高圧の冷媒が流れる機器の破損につながる恐れがある。
【０００８】
この発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、ポンプから吐出される冷媒の量が、膨張機で適正処理される冷媒の量より多い条件でポンプと膨張機が一体に駆動されている場合でも、膨張機で適正処理できる量に、膨張機へ流入される冷媒の量を調整できる排熱回生システムを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明の排熱回生システムは、冷媒を膨張させて駆動力を発生する膨張機と、膨張機からの上記冷媒を凝縮する凝縮器と、膨張機の駆動力が伝達されるように出力軸を介して連結され、凝縮器からの冷媒を圧送するポンプと、ポンプ４からの冷媒を加熱して膨張機へ送る蒸発器とを備える排熱回生システムであって、ポンプから蒸発器に至るまでの冷媒流路と膨張機から凝縮器を介してポンプに至る冷媒流路との間を接続する第１バイパス流路を構成し、第１バイパス流路を流れる冷媒の流量を調整可能な流量調整手段を有する第１バイパス手段と、ポンプから圧送される冷媒の圧力に関する情報を取得する第１圧力センサと、第１圧力センサの出力に基づいて、流量調整手段の駆動を制御する冷媒流量制御手段とを備えている。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係る排熱回生システムによれば、ポンプから圧送される冷媒の量が、膨張機で適正処理される冷媒の量より多い条件でポンプと膨張機が一体に駆動されている場合でも、第１圧力センサの出力に基づいて、ポンプから圧送される冷媒のうち、適量の冷媒を膨張機から凝縮器を介してポンプに至る低圧側の冷媒流路に、第１バイパス流路を介して戻すことで、膨張機へ流入される冷媒の流量が、膨張機で適正処理できる流量となるので、冷媒の異常な圧力上昇による機器の破損を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１に係る排熱回生システムの構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る排熱回生システムを構成する膨張機とポンプのそれぞれについての冷媒の流量特性を示す図である。
【図３】参照用の排熱回生システムの熱力学サイクルであるランキンサイクルのモリエル線図であり、ポンプ及び膨張機が適合回転速度で回転される場合の様子を示している。
【図４】参照例の排熱回生システムの熱力学サイクルであるランキンサイクルのモリエル線図であり、ポンプ及び膨張機が適合回転速度より遅い回転速度で回転される場合の様子を示している。
【図５】参照例の排熱回生システムの熱力学サイクルであるランキンサイクルのモリエル線図であり、ポンプ及び膨張機が適合回転速度より速い回転速度で回転される場合の様子を示している。
【図６】この発明の実施の形態１に係る排熱回生システムの動作を説明するフロー図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係る排熱回生システムの熱力学サイクルであるランキンサイクルのモリエル線図であり、ポンプ４及び膨張機が適合回転速度より速く回転されている場合を示している。
【図８】この発明の実施の形態２に係る排熱回生システムの構成図である。
【図９】この発明の実施の形態３に係る排熱回生システムの構成図である。
【図１０】この発明の実施の形態３に係る排熱回生システムの動作を説明するフロー図である。
【図１１】この発明の実施の形態３に係る排熱回生システムの熱力学サイクルであるランキンサイクルのモリエル線図であり、適合回転速度より速い速度で膨張機が回転される場合を示している。
【図１２】この発明の実施の形態４に係る排熱回生システムの構成図である。
【図１３】この発明の実施の形態５に係る排熱回生システムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
【００１３】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る排熱回生システムの構成図である。なお、図１には、自動車の駆動力を発生するエンジンからの排熱を利用する排熱回生システムが示されている。
【００１４】
図１において、排熱回生システム１Ａは、冷媒を膨張させて駆動力を発生する膨張機２と、膨張機２からの冷媒を凝縮する凝縮器３と、凝縮器３からの冷媒を圧送するポンプ４と、ポンプ４からの冷媒を、外部から導入される熱により加熱して膨張機２へ送る蒸発器５とを備えている。ここでは、外部から導入される熱とは、エンジン８により加熱されたエンジン８の冷却水の熱である。
冷媒としては、Ｒ１３４ａを用いているが、このものに限定されない。
【００１５】
また、排熱回生システム１Ａは、ポンプ４から蒸発器５に至るまでの冷媒流路と膨張機２から凝縮器３を介してポンプ４に至る冷媒流路との間を接続する第１バイパス流路を構成するとともに、第１バイパス流路を流れる冷媒の流量を調整可能な流量調整手段としての流量調整弁１１を有する第１バイパス手段１０Ａと、ポンプ４から圧送される冷媒の圧力に関する情報を取得する第１圧力センサ１３と、膨張機２に流入される冷媒の温度に関する情報を取得する高圧側温度センサとしての第１温度センサ１４と、第１圧力センサ１３の出力に基づいて流量調整弁１１の開度を制御するとともに、第１温度センサ１４の出力に基づいて、膨張機２の回転速度を制御する冷媒流量制御手段１６とを備えている。
【００１６】
排熱回生システム１Ａは、蒸発器５から膨張機２へ冷媒を導く第１配管２１と、膨張機２から凝縮器３に冷媒を導く第２配管２２と、凝縮器３からポンプ４へ冷媒を導く第３配管２３と、ポンプ４から蒸発器５へ冷媒を導く第４配管２４とを備えている。
【００１７】
エンジン８には、蒸発器５との間を循環する冷却水が流れる。
蒸発器５とエンジン８との間には、蒸発器５からエンジン８に冷却水を導く低温側配管９ａと、エンジン８から蒸発器５へ冷却水を導く高温側配管９ｂとが接続されている。
そして、冷却水は、蒸発器５から低温側配管９ａを介してエンジン８に導かれ、エンジン８の熱（排熱）を奪って加熱された後、高温側配管９ｂを介して蒸発器５の内部に流れ、再度低温側配管９ａを流れるという循環経路を循環する。
【００１８】
また、第１バイパス手段１０Ａは、流量調整弁１１と、流量調整弁１１を介して第４配管２４内から第２配管２２内に至る第１バイパス流路を形成するバイパス配管１２Ａを備えている。即ち、第１バイパス流路は、ポンプ４から蒸発器５に至る冷媒流路と膨張機２から凝縮器３に至る冷媒流路との間を接続している。
より具体的には、バイパス配管１２Ａは、第４配管２４内から流量調整弁１１に至る冷媒流路を形成する第５配管１２ａと、流量調整弁１１から第２配管２２内に至る冷媒流路を形成する第６配管１２ｂとを備えている。
【００１９】
そして、流量調整弁１１の開度を調整することで、第１バイパス流路を流れる冷媒の流量を調整可能とさている。
【００２０】
膨張機２とポンプ４とは、膨張機２の駆動力がポンプ４に伝達されるように出力軸７を介して連結されている。また、膨張機２及びポンプ４は、筺体６に一体に取り付けられている。
膨張機２及びポンプ４の駆動に連動して軸周りに回転される出力軸７が、筺体６から延出されている。そして、ロータ（図示せず）を有する回転電機としての発電機３０が、出力軸７の回転に連動してロータが回転されるように出力軸７に連結されている。
【００２１】
第１圧力センサ１３は、例えば、抵抗ひずみケージ式圧力センサであり、第１温度センサ１４は、例えば、サーミスタや熱電対である。
第１圧力センサ１３は、ポンプ４から圧送される冷媒の圧力に関する情報を取得可能に第４配管２４に設けられている。
第１温度センサ１４は、膨張機２に流入される冷媒の温度に関する情報を取得可能に第１配管２１に設けられている。
【００２２】
冷媒流量制御手段１６は、例えば、図示しないＣＰＵ、ＲＡＭ、及びＲＯＭなどを有するマイコンであり、第１圧力センサ１３、及び第１温度センサ１４の出力を読み取り可能に、第１圧力センサ１３及び第１温度センサ１４に接続される。
また、冷媒流量制御手段１６は、流量調整弁１１の駆動を制御可能に流量調整弁１１に接続されている。そして、流量調整弁１１は、冷媒流量制御手段１６が出力する制御指令値に基づいて、弁の開度が設定されるように構成されている。
【００２３】
また、冷媒流量制御手段１６は、膨張機２の回転速度を制御可能に膨張機２に接続されている。具体的には、冷媒流量制御手段１６は、図示しない発電機３０のロータを回転させるのに必要なトルク（吸収トルク）を設定可能になっている。即ち、吸収トルクを大きくすると、出力軸７を回転させるのに必要なトルクが大きくなるので、冷媒の流通により回転される膨張機２の回転速度が遅くなる。また、反対に、吸収トルクを小さくすると、出力軸７を回転させるのに必要なトルクが小さくなるので、膨張機２の回転速度が速くなる。
【００２４】
次いで、排熱回生システム１Ａを構成する膨張機２とポンプ４の冷媒流量特性について説明する。
なお、膨張機２の冷媒流量特性とは、膨張機２の回転速度に対して、膨張機２で適正処理可能な最大の冷媒流量であり、ポンプ４の冷媒流量特性とは、ポンプ４の回転速度に対して、ポンプ４から圧送される冷媒流量である。
【００２５】
図２はこの発明の実施の形態１に係る排熱回生システムを構成する膨張機とポンプのそれぞれについての冷媒の流量特性を示す図である。
ここでは、ポンプ４から蒸発器５を介して膨張機２に至る高圧側の冷媒の圧力と、膨張機２から凝縮器３を介してポンプ４の至る低圧側の冷媒の圧力は、一定の条件となっている。高圧側の冷媒の圧力は、２．６ＭＰａであり、低圧側の冷媒の圧力は、０．８ＭＰａであり、高圧側と低圧側の差圧が１．８ＭＰａとなっている。
【００２６】
図２において、横軸には、一体に回転されるポンプ４と膨張機２の回転速度（ｒｐｍ）を示し、縦軸には、冷媒流量を質量流量（ｋｇ／ｍｉｎ）として示している。
そして、ポンプ４及び膨張機２のそれぞれの回転速度が、７００〜３０００（ｒｐｍ）の範囲にある場合のポンプ４及び膨張機２の冷媒流量特性について測定した。
【００２７】
まず、膨張機２における冷媒の流量特性について説明する。
図２に示されるように、膨張機２で適正処理可能な冷媒流量は、膨張機２の回転速度におおよそ比例している。
但し、膨張機２の入口における冷媒の流動抵抗に起因し、ポンプ４の回転速度が単位速度だけ速くなったときの冷媒流量の増加量が、回転速度が速くなる領域ほど、漸次減少している。
回転速度が約７００（ｒｐｍ）のときに膨張機２で適正処理可能な冷媒流量は、１．８（ｋｇ／ｍｉｎ）程度であり、回転速度が３０００（ｒｐｍ）のとに膨張機２で適正処理可能な冷媒流量は、５．６（ｋｇ／ｍｉｎ）程度になっている。
【００２８】
次いで、ポンプ４の冷媒流量特性について説明する。
ポンプ４から圧送される冷媒流量は、ポンプ４の回転速度におおよそ比例している。
但し、回転速度が上がると、ポンプ４内において、高圧の吐出側から低圧の入口側への冷媒漏れが相対的に減少するのに起因して、ポンプ４の回転速度が単位速度だけ速くなったときの冷媒流量の増加量が、回転速度が速くなる領域ほど、漸次増大している。
【００２９】
回転速度が７００（ｒｐｍ）のときの冷媒流量が、０．８（ｋｇ／ｍｉｎ）程度であり、回転速度が３０００（ｒｐｍ）のときの冷媒流量が、９．０（ｋｇ／ｍｉｎ）程度になっている。
【００３０】
そして、ポンプ４及び膨張機２のそれぞれの回転速度が、おおよそ２０００（ｒｐｍ）程度のときに、ポンプ４から圧送される冷媒流量と、膨張機２で適正処理可能な最大の冷媒流量とが一致されている。
そして、回転速度が２０００（ｒｐｍ）から離れるほど、ポンプ４から圧送される冷媒流量と膨張機２で適正処理可能な最大の冷媒流量の差が増大される。
【００３１】
排熱回生システム１Ａにおいて、ランキンサイクルの高圧と低圧が一定の条件下では、ポンプ４から圧送される冷媒流量と、膨張機２で適正処理可能な最大の冷媒流量とが一致させることを実現できる特定の回転速度、ここでは、２０００（ｒｐｍ）でのみ、運転が可能となる。
以下、ポンプ４から圧送される冷媒流量と、膨張機２で適正処理可能な最大の冷媒流量とが一致するポンプ４と膨張機２の回転速度を適合回転速度とする。
【００３２】
排熱回生システム１Ａにおいて、流量調整弁１１の制御機能がないもの、言い換えれば、第１バイパス流路を流れる冷媒の流量の調整機能がないものを参照用の排熱回生システムとする。
【００３３】
以下、参照用の排熱回生システムの熱力学サイクルであるランキンサイクルのモリエル線図を図３に示す。
図３は参照用の排熱回生システムの熱力学サイクルであるランキンサイクルのモリエル線図であり、ポンプ及び膨張機が適合回転速度で回転される場合の様子を示している。
【００３４】
図３において、ランキンサイクル中、ａ点はポンプ４の入口における冷媒の状態、ｂ点はポンプ４の出口における冷媒の状態、ｃ点は蒸発器５の出口における冷媒の状態、ｄ点は膨張機２の出口における冷媒の状態である。
【００３５】
冷媒は、ａ点に表される液体状態で、ポンプ４に流入して昇圧されてｂ点に表される状態となってポンプ４から吐出され、第４配管２４を介して蒸発器５に送られて、蒸発器５内を通過する。蒸発器５には、外部からエンジン８により通常９０〜１００℃に加熱された冷却水が流通している。冷却水は、蒸発器５で、冷媒と熱交換を行うことで冷却される。
逆に、冷媒は、冷却水の熱を吸収して加熱され、圧力を一定に保ったまま、蒸発器５の出口で、ｃ点に表される１００℃に近い高温で高圧の蒸気となる。
【００３６】
高温高圧となった冷媒は、第１配管２１を通って膨張機２に導かれ、膨張機２を通過する際に膨張して、ｄ点で表されるように、圧力が低下されるとともに、温度が４０℃程度に低下した蒸気となって、膨張機２から吐出される。この際、膨張機２が膨張する過程で、出力軸７を回転させる動力が発生する。この動力は、ポンプ４の駆動力として利用されたり、自動車の駆動用として取り出したり、出力軸７に連動して回転されるロータを有する発電機３０によって電気エネルギーとして変換することで、自動車の照明等の電力源として利用したりできる。
【００３７】
そして、冷媒は、膨張機２から、第２配管２２を通って凝縮器３に導入されて、圧力を一定に保ったまま冷却され、ａ点で示されるように、３０℃よりやや低い低温の液体となり、凝縮器３から第３配管２３を介してポンプ４に送られ、再度、ポンプ４により昇圧されて吐出される。なお、凝縮器３は、自動車の走行時の走行風や図示しないファン等により冷媒を冷却する機能を有している。
冷媒は、ポンプ４、蒸発器５、膨張機２、及び凝縮器３を通過する流路を循環することで、以上のランキンサイクルの通りに、その状態が変遷する。
【００３８】
次いで、参照例の排熱回生システムにおいて、ポンプ４及び膨張機２が適合回転速度より遅い回転速度で、回転される場合の動作について説明する。
図４は参照例の排熱回生システムの熱力学サイクルであるランキンサイクルのモリエル線図であり、ポンプ及び膨張機が適合回転速度より遅い回転速度で回転される場合の様子を示している。
ランキンサイクル中、ａ１点はポンプ４の入口における冷媒の状態、ｂ１点はポンプ４の出口での冷媒の状態、ｃ１点は蒸発器５の出口における冷媒の状態、ｄ１点は膨張機２の出口における冷媒の状態である。
また、図４では、ポンプ４及び膨張機２が適合回転速度で回転される場合のモリエル線図を点線にて併記している。
【００３９】
冷媒の循環経路は、ポンプ４及び膨張機２が適合回転速度で回転されている場合と同じである。
冷媒は、ａ１点に表される状態でポンプ４に流入して昇圧され、ｂ１点に表される状態となってポンプ４から吐出される。この際、ポンプ４から圧送される冷媒流量が、膨張機２で適正処理できる冷媒流量より少なくなっているので、ポンプ４の出口での冷媒の圧力は、ｂ１点に表されるように、膨張機２が適合回転速度で回転される場合に比べて低下した状態となる。その後、蒸発器５を通過する冷媒は、エンジン８の冷却水により、圧力を一定に保ったまま加熱されて、蒸発器５の出口、言い換えれば膨張機２の入口では、ｃ１点に表されるように、１００℃に近い高温で高圧の蒸気とされている。
【００４０】
その後、第１配管２１を通って膨張機２に導かれ、膨張機２を通過する際に膨張して、ｄ１点に表されるように、圧力が低下するとともに、温度が５０℃程度に低下した蒸気となって、膨張機２から吐出される。さらに、冷媒は、膨張機２から、第２配管２２を通って凝縮器３に導入されて冷却され、ａ１点で示される状態に戻り、再度、ポンプ４により昇圧されて吐出される。
冷媒は、以上のランキンサイクルの通りに、その状態が繰り返し変遷する。
【００４１】
次いで、参照例の排熱回生システムにおいて、ポンプ４及び膨張機２が適合回転速度より速い回転速度で回転される場合の動作について説明する。
図５は参照例の排熱回生システムの熱力学サイクルであるランキンサイクルのモリエル線図であり、ポンプ及び膨張機が適合回転速度より速い回転速度で回転される場合の様子を示している。
【００４２】
ランキンサイクル中、ｂ２点はポンプ４の出口における冷媒の状態、ｃ２点は蒸発器５の出口における冷媒の状態、ｄ２点は膨張機２の出口における冷媒の状態である。
また、図５では、ポンプ４及び膨張機２が適合回転速度で回転される場合のモリエル線図を点線にて併記している。
【００４３】
冷媒の循環経路は、ポンプ４及び膨張機２が適合回転速度で回転されている場合と同じである。
冷媒は、ａ点に表される状態でポンプ４に流入して昇圧され、ｂ２点に表される状態となってポンプ４から吐出される。この際、ポンプ４から圧送される冷媒流量が、膨張機２で適正処理できる冷媒流量より多くなっているので、ポンプ４の出口での冷媒の圧力は、ｂ２点に表されるように、膨張機２が適合回転速度で回転される場合に比べて増大した状態となる。
【００４４】
その後、蒸発器５を通過する冷媒は、エンジン８の冷却水により、圧力を一定に保ったまま加熱されて、蒸発器５の出口、言い換えれば膨張機２の入口では、ｃ２点で表されるように、おおよそ１００℃に近い高温で高圧の蒸気とされている。
【００４５】
その後、第１配管２１を通って膨張機２に導かれ、膨張機２を通過する際に膨張して、ｄ２点に表されるように、圧力が低下されるとともに、温度が３０℃程度に低下した蒸気となって、膨張機２から吐出される。さらに、冷媒は、膨張機２から、第２配管２２を通って凝縮器３に導入され、圧力を一定に保ったまま冷却されることで、ａ点で示される状態に戻り、再度、ポンプ４により昇圧されて吐出される。
【００４６】
以上のように、ポンプ４及び膨張機２が適合回転速度より速い回転速度で参照例の排熱回生システムが動作される場合、高圧側の冷媒の圧力が高くなるので、高圧の冷媒が流れる機器が破損する恐れもある。
【００４７】
そこで、排熱回生システム１Ａでは、ポンプ４から吐出された冷媒の一部を、流量調整弁１１を駆動して、第１バイパス手段１０Ａが構成する第１バイパス流路を介して凝縮器３に戻し、蒸発器５へは膨張機２で適正処理できる量の冷媒を流すように構成されている。
【００４８】
以下、排熱回生システム１Ａの動作の詳細について説明する。
図６はこの発明の実施の形態１に係る排熱回生システムの動作を説明するフロー図である。
初期状態では、流量調整弁１１の開度は、例えば、半分開かれているものとする。
なお、説明の便宜上、図６ではステップ１０１〜ステップ１１２をＳ１０１〜Ｓ１１２と記載する。
【００４９】
ステップ１０１で、冷媒流量制御手段１６は、第１圧力センサ１３と第１温度センサ１４の出力から、ポンプ４から圧送される高圧側の冷媒の圧力ＰＨと、膨張機２に入力される冷媒の温度ＴＨＥを取得する。
【００５０】
ここで、上限圧力敷居値ＰＨ（ＭＡＸ）と上限温度敷居値ＴＨＥ（ＭＡＸ）を以下のように設定する。
上限圧力敷居値ＰＨ（ＭＡＸ）は、排熱回生システム１Ａを構成する各構成機器のうち、とりわけランキンサイクルの高圧側に配置される機器の耐圧や使用する冷媒などを考慮して予め設定される許容最大圧力よりやや小さな値に設定した値である。
また、上限温度敷居値ＴＨＥ（ＭＡＸ）は、使用する冷媒や膨張機２等に使用される潤滑油の使用上限温度、及び高圧側に配置される機器の耐圧などを考慮して、予め設定される許容最大温度よりやや小さな値に設定した値である。
【００５１】
ステップ１０２で、冷媒流量制御手段１６は、圧力ＰＨが、上限圧力敷居値ＰＨ（ＭＡＸ）より大きいか否かを判断する。
【００５２】
ステップ１０２で、冷媒流量制御手段１６は、圧力ＰＨが、上限圧力敷居値ＰＨ（ＭＡＸ）より大きいと判断すると、流量調整弁１１の開度が、所定量大きくなるように流量調整弁１１の開度を制御して、第１バイパス流路を通ってポンプ４の出口側から凝縮器３の入口側に戻る冷媒流量を所定量大きくし（ステップ１０３）、ステップ１０１に戻る。
【００５３】
ステップ１０２で、冷媒流量制御手段１６は、圧力ＰＨが、上限圧力敷居値ＰＨ（ＭＡＸ）より大きくないと判断すると、圧力ＰＨが、上限圧力敷居値ＰＨ（ＭＡＸ）から判断基準圧力値ＰＮを引いた値より小さいか否かを判断する（ステップ１０４）。
判断基準圧力値ＰＮは、使用する冷媒の種類などによって予め設定され、上限圧力敷居値ＰＨ（ＭＡＸ）から判断基準圧力値ＰＮを引いた値は、高圧側の冷媒の圧力として好ましい範囲の下限を下回らないように適宜設定される。本実施例では、例えば、０．１〜０．５（ＭＰａ）に設定される。
【００５４】
ステップ１０４で、冷媒流量制御手段１６は、ＰＨ＜（ＰＨ（ＭＡＸ）−ＰＮ）であると判断すると、流量調整弁１１の開度が最小か否かを判断する（ステップ１０５）。
ステップ１０５で、流量調整弁１１の開度が最小であると判断すると、ステップ１０７に進む。
ステップ１０５で、流量調整弁１１の開度が最小でないと判断すると、流量調整弁１１の開度が、所定量小さくなるように流量調整弁１１の開度を制御して、第１バイパス流路を通ってポンプ４の出口側から凝縮器３の入口側に戻る冷媒流量を所定量小さくし（ステップ１０６）、ステップ１０１に戻る。
【００５５】
ステップ１０７で、冷媒流量制御手段１６は、温度ＴＨＥが、上限温度敷居値ＴＨＥ（ＭＡＸ）より大きいか否かを判断する。
ステップ１０７で、冷媒流量制御手段１６は、温度ＴＨＥが、上限温度敷居値ＴＨＥ（ＭＡＸ）より大きいと判断すると、膨張機２の回転速度を所定速さだけ速め（ステップ１０８）、ステップ１０１に戻る。
【００５６】
ステップ１０７で、冷媒流量制御手段１６は、温度ＴＨＥが、上限温度敷居値ＴＨＥ（ＭＡＸ）より大きくないと判断すると、温度ＴＨＥが、（上限温度敷居値ＴＨＥ（ＭＡＸ）−判断基準温度値ＴＮ）より小さいか否かを判断する（ステップ１０９）。
判断基準温度値ＴＮは、使用する冷媒の種類などによって予め設定され、上限温度敷居値ＴＨＥ（ＭＡＸ）から判断基準温度値ＴＮを引いた値は、膨張機２に入力される冷媒の温度として、好ましい範囲の下限を下回らないように、適宜設定される。本実施例では、判断基準温度値ＴＮは、例えば、１０℃〜５０℃の間で設定される。
【００５７】
ステップ１０９で、冷媒流量制御手段１６は、ＴＨＥ＜ＴＨＥ（ＭＡＸ）−ＴＮであると判断すると、膨張機２の回転速度を所定速さだけ遅くし（ステップ１１０）、ステップ１０１に戻る。
なお、この実施の形態１では、冷媒として、Ｒ１３４ａを用いているが、この場合、上限温度敷居値ＴＨＥ（ＭＡＸ）は、１９０℃程度に設定される。ステップ１０９，１１０の制御を行うことで、温度ＴＨＥが上限温度敷居値ＴＨＥ（ＭＡＸ）を超えることはない。また、冷媒が、エンジンにより温められた冷却水との熱交換により加熱されるものとしたが、例えば、冷媒が、２００℃を超えるような熱源としてのエンジンの排気ガスとの熱交換により加熱されるような場合でも、ステップ１０９，１１０の制御が行われるため、温度ＴＨＥが上限温度敷居値ＴＨＥ（ＭＡＸ）を超えることはない。
【００５８】
ステップ１０９で、冷媒流量制御手段１６は、ＴＨＥ＜ＴＨＥ（ＭＡＸ）−ＴＮでないと判断すると、ポンプ４及び膨張機２等の運転停止指令が出力されたか否か、即ち、冷媒を循環させる駆動系統（ポンプ４、膨張機２、凝縮器３など）の運転停止指令が出力されたか否かを判断する（ステップ１１１）。
例えば、ポンプ４及び膨張機２の回転は、エンジン８が停止されたときなどを条件に、排熱回生システム１Ａの運転停止指令が出力される。
【００５９】
ステップ１１１で、冷媒流量制御手段１６は、運転停止指令が出力されていないと判断すると、ステップ１０１に戻り、運転停止指令が出力されたと判断すると、言い換えれば、駆動系統が停止したと判断すると、膨張機２の回転速度、及び流量調整弁１１の開度の制御を終了する。
【００６０】
以上のように動作する排熱回生システム１Ａでは、ポンプ４及び膨張機２が適合回転速度より所定以上速い速度で回転される場合に、言い換えれば、ポンプ４から圧送される冷媒流量が、膨張機２で適正処理される冷媒流量より大きく、ランキンサイクルの高圧側の冷媒の圧力が、許容される上限の圧力に近づいて上限圧力敷居値ＰＨ（ＭＡＸ）を超えた場合に、以下のような制御が行われる。
【００６１】
即ち、冷媒流量制御手段１６が、ランキンサイクルの高圧側に設けられた圧力センサ１３の出力に基づいて、ポンプ４から圧送される冷媒のうち、蒸発器５を介して膨張機２に入力される冷媒の流量が、適正処理可能な流量に近づくように、流量調整弁１１の開度を制御することで、第１バイパス流路を通ってポンプ４の出口側から凝縮器３の入口側に戻る冷媒流量を調整する。
【００６２】
また、冷媒流量制御手段１６は、膨張機２に入力される冷媒の温度ＴＨＥが上限温度敷居値ＴＨＥ（ＭＡＸ）より高くなると、膨張機２の回転速度を速め、冷媒の温度ＴＨＥが（上限温度敷居値ＴＨＥ（ＭＡＸ）−判断基準温度値ＴＮ）より低くなると、膨張機２の回転速度を遅くする制御をするので、膨張機２に流入する冷媒の温度が、許容上限温度を上回ることが防止される。
【００６３】
次いで、以上のように動作する排熱回生システム１Ａの熱力学サイクルであるランキンサイクルのモリエル線図について説明する。
図７はこの発明の実施の形態１に係る排熱回生システムの熱力学サイクルであるランキンサイクルのモリエル線図であり、ポンプ及び膨張機が適合回転速度より速く回転されている場合を示している。
ランキンサイクル中、ａ３点はポンプ４の入口における冷媒の状態、ｂ３点はポンプ４の出口における冷媒の状態、ｃ３点は蒸発器５の出口における冷媒の状態、ｄ３点は膨張機２の出口における冷媒の状態である。
また、図７では、ポンプ４及び膨張機２が適合回転速度より速く回転され、かつ冷媒の流量を調整しない参照例の排熱回生システムのモリエル線図を点線にて併記している。
【００６４】
排熱回生システム１Ａの冷媒の循環経路は、参照用の排熱回生システムについて説明したものと同じである。
冷媒は、ａ３点に表される液体状態で、ポンプ４に流入して昇圧されてｂ３点に表される状態となってポンプ４から吐出され、第４配管２４を介して蒸発器５に送られて、蒸発器５内を通過する。この際、冷媒は、エンジン８の冷却水により通常９０〜１００℃に加熱されたエンジン８の冷却水を冷却する一方で、冷却水の熱を吸収して加熱され、蒸発器５の出口で、ｃ３点で表される１００℃に近い高温高圧の蒸気となる。
【００６５】
ここで、排熱回生システム１Ａでは、ポンプ４から吐出する冷媒の流量が、膨張機２で適正処理できる冷媒の流量より多い条件でポンプ４と膨張機２が一体に駆動されている場合でも、ポンプ４から吐出する冷媒の一部を、第１バイパス流路を介して凝縮器３に戻すことで、膨張機２に流入される冷媒の流量が、膨張機２で適正処理出来る流量となる。このため、ランキンサイクルにおいて、冷媒の状態が、ｂ３点からｃ３点に移る際の冷媒の圧力が、図７に示されるように、冷媒の流量制御をしない参照例の排熱回生システムに比べて抑えられる。
【００６６】
高温高圧となった冷媒は、第１配管２１を通って膨張機２に導かれ、膨張機２を通過する際に膨張して、ｄ３点で表されるように、圧力が低下されるとともに、温度が４０℃程度に低下した蒸気となって、膨張機２から吐出される。参照用の排熱回生システムと同様、この動力は、ポンプ４の駆動力として利用されたり、自動車の駆動用として取り出したり、出力軸７に連動して回転されるロータを有する発電機３０によって電気エネルギーとして変換することで、自動車の照明等の電力源として利用したりできる。
このため、排熱回生システム１Ａを用いることで、自動車の燃費が向上する等、排熱回生システム１Ａを含む系のエネルギー効率が向上する。
【００６７】
さらに、冷媒は、膨張機２から、第２配管２２を通って凝縮器３に導入され、圧力を一定に保ったまま冷却されのち、ポンプ４の入口側に送られ、ａ３点で示されるように、低温の液体にされた状態に戻る。そして、冷媒は、再度、ポンプ４により昇圧されて吐出される。
【００６８】
この実施の形態１の排熱回生システム１Ａは、ポンプ４から蒸発器５に至るまでの冷媒流路と膨張機２から凝縮器３に至る冷媒流路との間を接続する第１バイパス流路を構成し、第１バイパス流路を流れる冷媒の流量を調整可能な流量調整弁１１を有する第１バイパス手段１０Ａと、ポンプ４から圧送される冷媒の圧力に関する情報を取得する第１圧力センサ１３と、第１圧力センサ１３の出力に基づいて、流量調整弁１１の駆動を制御する冷媒流量制御手段１６とを備えている。
【００６９】
このような構成にすることで、ポンプ４及び膨張機２が適合回転速度より速い回転速度で回転されていた場合でも、言い換えれば、ポンプ４から吐出される冷媒の量が、膨張機２で適正処理される冷媒の量より多い条件でポンプ４と膨張機２が一体に駆動されている場合でも、第１圧力センサ１３の出力が、膨張機２で適正処理できる冷媒の流量に対応する冷媒の圧力に変更されるように、流量調整弁１１を制御して、冷媒の一部を、高圧側の冷媒流路から低圧側の冷媒流路に戻すことで以下の効果が得られる。
即ち、高圧側の冷媒の圧力が異常に高くなることが抑制されて、膨張機２で処理できる流量で、冷媒が膨張機２に流入されるので、高圧側の冷媒が流れる機器の破損を防止できる。さらに、エンジン等の排熱を、電気エネルギーに変換する発電機の駆動源として利用する排熱回生システム１Ａを安定して稼働できる。
【００７０】
また、冷媒流量制御手段１６は、膨張機２に流入される冷媒の温度に関する情報を取得する第１温度センサ１４の情報に基づいて、膨張機２の回転速度を制御している。
これにより、膨張機２に異常に高温となる冷媒が流入されることを避けることができ、一層、排熱回生システム１Ａを安定して稼働させることができる。
【００７１】
また、従来の廃熱利用装置では、膨張機で処理しきれず、膨張機から吐出される高温の冷媒が、蒸発器や凝縮器に導入されるように構成されているが、このような場合、凝縮器での放熱量も大きくなり、凝縮器や蒸発器を大型にする必要性が生じ、排熱回生システム自体が大型化してしまう。
一方、排熱回生システム１Ａでは、膨張機２への冷媒流量を調整する第１バイパス流路は、ポンプ４から蒸発器５に至る冷媒流路から凝縮器３に戻されるように構成されている。このため、凝縮器３での放熱量が抑えられ、凝縮器３や蒸発器５を大型にする必要性がなくなり、排熱回生システム１Ａを小型化できる。
また、膨張機２の出力側での温度上昇が防止できるので、膨張機２の出力の予期せぬ低下も防止され、効率を低下させることなく安定して膨張機２を稼働できる。
【００７２】
なお、この実施の形態１では、第１圧力センサ１３は、ポンプ４から圧送される冷媒の圧力を取得可能に、第４配管２４に設けられるものとして説明した。しかし、例えば、第１圧力センサ１３は、第１配管２１側に設けてもよい。ポンプ４から蒸発器５を介して膨張機２に至るまでの冷媒流路を流れる高圧の冷媒の圧力は、ポンプ４から圧送される冷媒の圧力と見なすことができ、第１圧力センサ１３を第１配管２１側に設けても、ポンプ４から圧送される高圧の冷媒の圧力に関する情報を取得可能である。
【００７３】
また、第１温度センサ１４は、蒸発器５を通過した後に膨張機２に流入される冷媒の温度を取得可能に、第１配管２１に設けられるものとして説明した。しかし、第１温度センサ１４は、例えば、筺体６などに設けるものでもよい。筺体６の温度と、膨張機２に流入される冷媒の温度とは、相関関係にあるので、筺体６に設けた第１温度センサ１４から、膨張機２に流入される冷媒の温度を推測可能である。
このように、第１温度センサ１４も、膨張機２に流入される冷媒の温度に関する情報を取得可能なものであれば、設置場所は限定されない。
【００７４】
また、この実施の形態１では、第１温度センサ１４の出力に基づいて、冷媒流量制御手段１６が、膨張機２の回転速度を調整するものとして説明したが、第１温度センサ１４の出力に基づいて膨張機２の回転速度を調整させる構成は必ずしも必要ではなく、省略してもよい。
この場合でも、第１圧力センサ１３の出力に基づいて膨張機２に流入される制御がなされるので、高圧側の冷媒の圧力が異常に高くなることが抑制されて適切な流量の冷媒が、膨張機２に流入されることになり、高圧側の冷媒が流れる機器の破損を防止できる効果が失われるわけではない。
【００７５】
実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２に係る排熱回生システムの構成図である。
図８において、上記実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００７６】
図８において、排熱回生システム１Ｂは、第１バイパス手段１０Ａに代え、第１バイパス手段１０Ｂを有する他は、排熱回生システム１Ａと同様である。
第１バイパス手段１０Ｂの構成は、第１バイパス流路を開閉自在に設けられる開閉手段としての開閉弁３３を、流量調整弁１１とは別個に備えている他は、第１バイパス手段１０Ａと同様である。
ここで、冷媒の流量を調整する流量調整弁１１としては、完全に冷媒の流れを遮断することができないのが一般的である。
【００７７】
そこで、この実施の形態２では、第１バイパス手段１０Ｂにより構成される第１バイパス流路を完全に遮断可能な開閉弁３３を設けている。
【００７８】
冷媒流量制御手段１６は、ポンプ４と膨張機２が適合回転速度より小さな速度で回転され、ポンプ４からの吐出量に対して、膨張機２により適正処理可能な冷媒の量が、十分に大きい場合、言い換えれば、ポンプ４の出口側から凝縮器３の入口側に冷媒を戻す必要のない場合は、開閉弁３３を閉じるように構成されている。
逆に、冷媒流量制御手段１６は、ポンプ４と膨張機２が適合回転速度より大きな速度で回転され、ポンプ４からの吐出量に対して、膨張機２により適正処理される冷媒の量が、小さい場合、開閉弁３３を開けるように構成されている。
【００７９】
この実施の形態２によれば、第１バイパス流路を完全に遮断可能な開閉弁３３が設けられているので、ポンプ４から圧送されて、第１バイパス流路を流れる冷媒の流れを確実に止めることができる。
これにより、冷媒流量制御手段１６が、ポンプ４の出口側から凝縮器３に冷媒を戻す必要のない条件で、排熱回生システム１Ｂが運転されている場合には、開閉弁３３を閉じて、第１バイパス流路を遮断し、ポンプ４の出口側から凝縮器３の入口側に冷媒を戻す必要のある条件で、排熱回生システム１Ｂが運転されている場合には、開閉弁３３を開けて、第１バイパス流路の遮断を解消することで、実施の形態１の効果に加えて、排熱回生システム１Ｂの運転効率を改善できるという効果が期待できる。
【００８０】
実施の形態３．
図９はこの発明の実施の形態３に係る排熱回生システムの構成図である。
図９において、上記実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００８１】
図９において、排熱回生システム１Ｃは、第１バイパス手段１０Ａに並列に設けられる第２バイパス手段４０と、凝縮器３とポンプ４を接続する第３配管２３を流れる冷媒の圧力及び温度を取得可能に、言い換えれば、ポンプ４に入力される冷媒の圧力及び温度を取得可能に、第３配管２３に設けられる第２圧力センサ５１及び低圧側温度センサとしての第２温度センサ５２とを備えている。
排熱回生システム１Ｃの他の構成は、排熱回生システム１Ａと同様である。
【００８２】
第２バイパス手段４０は、ポンプ４から蒸発器５に至るまでの冷媒流路と膨張機２から凝縮器３に至る冷媒流路との間を接続する第２バイパス流路を構成し、第２バイパス流路に組み込まれる冷媒タンク４１、及び第２バイパス流路を開閉自在に設けられる冷媒流入選択手段としての第２開閉弁４３ａ，４３ｂを有する。
【００８３】
さらに、具体的には、第２バイパス手段４０は、冷媒タンク４１と、絞り４２ａ，４２ｂと、第２開閉弁４３ａ，４３ｂと、これらを介してポンプ４の出口側と凝縮器３の入口側を接続する第２バイパス配管４５とを備え、ポンプ４から圧送される冷媒の一部を冷媒タンク４１内に移送可能に構成されている。
【００８４】
第２バイパス配管４５は、第４配管２４内の空間から冷媒タンク４１に至る冷媒流路を形成する第７配管４５ａと、冷媒タンク４１から第２配管２２内の空間に至る冷媒流路を形成する第８配管４５ｂとを備えている。
【００８５】
そして、絞り４２ａが、第７配管４５ａの冷媒流量を調整可能に第７配管４５ａの一部に組み入れられ、また、開閉弁４３ａが、第７配管４５ａの冷媒流路を遮断可能に設けられている。
また、絞り４２ｂが、第８配管４５ｂの冷媒流量を調整可能に第８配管４５ｂの一部に組み入れられ、また、開閉弁４３ｂが、第８配管４５ｂの冷媒流路を遮断可能に設けられている。
【００８６】
なお、第２圧力センサ５１は、第１圧力センサ１３と同様、例えば、抵抗ひずみケージ式圧力センサであり、第２温度センサ５２も、第１温度センサ１４と同様、例えば、サーミスタや熱電対である。
【００８７】
絞り４２ａ，４２ｂは、排熱回生システム１Ｃの運転開始に先立って、予め開度を調整してあり、運転中は、開度を固定にするものとしている。しかし、絞り４２ａ，４２ｂとして、流量調整弁１１と同様のものを用い、冷媒流量制御手段１６が適宜、絞り４２ａ，４２ｂの開度を調整可能なようにしてもよい。
【００８８】
また、冷媒流量制御手段１６を構成するＲＯＭには、冷媒の圧力−飽和温度特性が、予め格納されている。
【００８９】
ここで、実施の形態１に説明した排熱回生システム１Ａでは、流量調整弁１１の制御により、ポンプ４から圧送された冷媒の一部を、第１バイパス流路を介して凝縮器３の入口側に適宜戻すことで、膨張機２に流入される冷媒の圧力を適切な大きさに保っている。
【００９０】
図７のモリエル線図のａ３点とａ点との比較からわかるように、ポンプ４及び膨張機３が、適合回転速度より速い回転速度で回転されている場合、適合回転速度でポンプ４及び膨張機３を回転させたときに比べて高圧側の圧力が下がるので、ポンプ４に流れ込む冷媒の温度が低下する。これに起因して、排熱回生システム１Ａの運転上は問題とはならないものの、ポンプ４の入口での冷媒の温度とポンプ４の入口での冷媒の圧力に対応する冷媒の飽和温度との差で表される過冷却度が大きくなる。
過冷却度が大きくなると、排熱回生システム１Ａが冷媒を循環させる際のランキンサイクルの熱効率が低下する。
【００９１】
そこで、本実施の形態３の排熱回生システム１Ｃでは、第２圧力センサ５１及び第２温度センサ５２の出力に基づいて、冷媒流量制御手段１６が、過冷却度を演算する。そして、過冷却度が、適切な範囲から外れた場合に、冷媒流量制御手段１６は、過冷却度を適切な値に戻す方向に、冷媒タンク４１に移送される冷媒の量が調整されるように、開閉弁４３ａ，４３ｂの開度を設定するように構成する。
【００９２】
具体的には、冷媒流量制御手段１６は、過冷却度が上限過冷却度敷居値ＴＳＨより大きくなったり、下限過冷却度敷居値ＴＳＬより小さくなったりした場合に、第２バイパス手段４０の開閉弁４３ａ，４３ｂを開き、冷媒の一部を冷媒タンク４１に移動させて過冷却度を適切な値に調整する。
【００９３】
また、これに併せて、排熱回生システム１Ｃでは、ランキンサイクルにおける高圧側の圧力を、許容上限圧力を超えないように排熱回生システム１Ａと同様に制御している。
【００９４】
以下、排熱回生システム１Ｃの動作の詳細について説明する。
図１０はこの発明の実施の形態３に係る排熱回生システムの動作を説明するフロー図である。
【００９５】
ステップ２０１〜ステップ２１０で、冷媒流量制御手段１６は、第１圧力センサ１３と第１温度センサ１４の出力に基づいて、流量調整弁１１と膨張機３の回転速度を制御するが、その制御は、実施の形態１のステップ１０１〜ステップ１１０と同様であるので、説明を省略する。
なお、開閉弁４３ａ，４３ｂは、初期状態では、閉じられている。
【００９６】
ステップ２１１で、冷媒流量制御手段１６は、第２圧力センサ５１と第２温度センサ５２の出力から、ポンプ４に流入される低圧側の冷媒の圧力ＰＬと温度ＴＬＰを取得する。
【００９７】
ステップ２１２で、冷媒流量制御手段１６は、圧力ＰＬでの冷媒の飽和温度ＴＬを、圧力−飽和温度特性から取得する。
【００９８】
ステップ２１３で、冷媒流量制御手段１６は、過冷却度ΔＴ（＝ＴＬＰ−ＴＬ）を演算し、過冷却度ΔＴが、予め設定した上限過冷却度敷居値ＴＳＨより、大きいか否かを判断する（ステップ２１３）。
上限過冷却度敷居値ＴＳＨは、適正とされる過冷却度の範囲のうち、最大値よりやや小さな値に設定される。例えば、上限過冷却度敷居値ＴＳＨは、１０℃程度に設定される。
【００９９】
ステップ２１３で、冷媒流量制御手段１６は、過冷却度ΔＴが、上限過冷却度敷居値ＴＳＨより大きいと判断すると、開閉弁４３ａを開け、ポンプ４から圧送される冷媒の一部を、第７配管４５ａ、絞り４２ａ，及び開閉弁４３ａを介して冷媒タンク４１に移送させ（ステップ２１４）、ステップ２１１の制御に戻る。
【０１００】
ステップ２１３で、冷媒流量制御手段１６は、過冷却度ΔＴが、上限過冷却度敷居値ＴＳＨより小さいと判断すると、開閉弁４３ａを閉じ（ステップ２１５）、ステップ２１６に進む。
【０１０１】
ステップ２１６で、冷媒流量制御手段１６は、過冷却度ΔＴ（＝ＴＬＰ−ＴＬ）が、予め設定した下限過冷却度敷居値ＴＳＬより小さいか否かを判断する。下限過冷却度敷居値ＴＳＬは、適正とされる過冷却度の範囲のうち、最小値よりやや大きな値に設定される。例えば、下限過冷却度敷居値ＴＳＬは、５℃程度に設定される。
【０１０２】
ステップ２１６で、冷媒流量制御手段１６は、過冷却度ΔＴが、下限過冷却度敷居値ＴＳＬより小さいと判断すると、開閉弁４３ｂを開け（ステップ２１７）、ステップ２１１に戻る。
ステップ２１６で、冷媒流量制御手段１６は、過冷却度ΔＴが、下限過冷却度敷居値ＴＳＬより大きいと判断すると、開閉弁４３ｂを閉じ（ステップ２１８）、ステップ２１９に進む。
ステップ２１９及びステップ２２０は、ステップ１１１及びステップ１１２と同様の制御動作である。
【０１０３】
次いで、以上のように動作する排熱回生システム１Ｃの熱力学サイクルであるランキンサイクルのモリエル線図について説明する。
図１１はこの発明の実施の形態３に係る排熱回生システムの熱力学サイクルであるランキンサイクルのモリエル線図であり、適合回転速度より速い速度で膨張機が回転される場合を示している。
ランキンサイクル中、ａ４点はポンプ４の入口、ｂ３点はポンプ４の出口、ｃ点は蒸発器５の出口、ｄ４点は膨張機２の出口における冷媒の状態である。
また、図１１では、排熱回生システム１Ａの熱力学サイクルであるランキンサイクルのモリエル線図を点線にて併記している。
【０１０４】
図１１に示される排熱回生システム１Ｃのランキンサイクルでは、ａ４点に表されるように、液体状態で、ポンプ４に流入した冷媒は、ｂ３点に示されるように、昇圧されてポンプ４の出口から吐出される。さらに、冷媒は、第４配管２４を介して蒸発器５に導かれ、蒸発器５内を通過する。この際、冷媒は、圧力を一定に保ったままエンジン８の冷却水により加熱されて、蒸発器５の出口で、ｃ３点に表される１００℃に近い高温で高圧の蒸気となる。
【０１０５】
高温高圧となった冷媒は、第１配管２１を通って膨張機２に導かれ、膨張機２を通過する際に膨張して、ｄ４点に表されるように、圧力が低下されるとともに、温度が４０℃程度に低下した蒸気となって、膨張機２から吐出される。さらに、冷媒は、膨張機２から、第２配管２２を通って凝縮器３に導入されて、ポンプ４の入口側に至り、圧力を一定に保ったまま、ａ４点に表されるように、低温の液体にされた状態に戻る。
【０１０６】
ここで、図１１において、第２バイパス手段４０による冷媒の流量制御を行わない排熱回生システム１Ａに場合に比べ、ａ３点とａ４点に表されるように、ポンプ４の入口の冷媒の温度に、ほとんど変化ないが、ポンプ４の入口の冷媒の圧力は低下している。これにより、過冷却度は、小さく適切な値となる。
【０１０７】
この実施の形態３によれば、冷媒流量制御手段１６は、第１圧力センサ１３と第１温度センサ１４の出力に基づいて、流量調整弁１１と膨張機３の回転速度を制御しているのは、実施の形態１と同様である。
従って、排熱回生システム１Ａと同様、高圧側の冷媒の圧力が異常に高くなることが抑制されて適切な流量の冷媒が、膨張機２に流入されるので、高圧側の冷媒が流れる機器の破損を防止できる。
【０１０８】
さらに、第２圧力センサ５１の出力に対応する冷媒の飽和温度ＴＬ、及び第２温度センサ５２の出力に基づいて、冷媒流入選択手段としての開閉弁４３ａ，４３ｂによる第２バイパス流路の開閉を選択し、冷媒タンク４１への冷媒の流れ込みを冷媒流量制御手段１６に制御させることで、過冷却度ΔＴを適切な値に保っている。
これにより、排熱回生システム１Ｃの運転効率を向上させることができる。
【０１０９】
実施の形態４．
図１２はこの発明の実施の形態４に係る排熱回生システムの構成図である。
なお、上記実施の形態１〜３と同一または相当部分には、同一符号を付し、その説明を省略する。
図１２において、排熱回生システム１Ｄは、第１バイパス手段１０Ａに代え、第１バイパス手段１０Ｂを備える他は、上記実施の形態３と同様である。
即ち、第１バイパス手段１０Ｂが構成する第１バイパス流路を開閉自在に設けられる第１開閉手段としての開閉弁３３が、流量調整弁１１とは別個に設けられている。
開閉弁３３は、第１バイパス手段１０Ｂが構成する１バイパス流路を完全に遮断することを目的として設けられている。
冷媒流量制御手段１６は、実施の形態２と同様に開閉弁を制御する。
【０１１０】
この実施の形態４の排熱回生システム１Ｄによれば、第２バイパス手段４０を有し、冷媒流量制御手段１６が、過冷却度ΔＴが適切な値をとるように、開閉弁４３ａ，４３ｂの開閉制御を行う点は、実施の形態３と同様であり、排熱回生システム１Ｄの運転効率を向上させることができる。
【０１１１】
さらに、この実施の形態４によれば、第１バイパス手段１０Ｂにより構成される第１バイパス流路を完全に遮断可能な開閉弁３３が設けられているので、第１バイパス流路を流れる冷媒の流れを確実に止めることができる。
ポンプ４の出口側から凝縮器３に冷媒を戻す必要のない条件で、排熱回生システム１Ｄが運転されている場合には、開閉弁３３を閉じて、第１バイパス流路を遮断し、ポンプ４の出口側から凝縮器３に冷媒を戻す必要のある条件で、排熱回生システム１Ｄが運転されている場合には、開閉弁３３を開けて、第１バイパス流路の遮断を解消させるように冷媒流量制御手段１６に制御させることで、排熱回生システム１Ｄの運転効率を改善できる。
【０１１２】
実施の形態５．
図１３はこの発明の実施の形態５に係る排熱回生システムの構成図である。
図１３において、排熱回生システム１Ｅは、第１バイパス手段１０Ａに代え、第１バイパス手段１０Ｃを有する他は、排熱回生システム１Ｃと同様に構成されている。
【０１１３】
第１バイパス手段１０Ｃは、ポンプ４から蒸発器５に至る冷媒流路と凝縮器３からポンプ４の入口側に至る冷媒流路との間を接続する第１バイパス流路を構成するとともに、第１バイパス流路を流れる冷媒の流量を調整可能な流量調整弁１１を有する。
【０１１４】
具体的には、第１バイパス手段１０Ｃは、流量調整弁１１と、流量調整弁１１を介して第４配管２４内と第３配管２３内とを接続するバイパス配管１２Ｂと、第１バイパス流路を開閉自在に設けられる開閉弁３３とを備えている。
第１バイパス配管１２Ｂは、第４配管２４内の空間から流量調整弁１１に至る冷媒流路を形成する第９配管１２ｃと、流量調整弁１１から第３配管２３内の空間に至る冷媒流路を形成する第１０配管１２ｄとを備えている。
そして、開閉弁３３が、第１０配管１２ｄの冷媒流路を開閉自在に第１０配管１２ｄに設けられている。
【０１１５】
第１バイパス手段１０Ｃの流量調整弁１１を制御することで、ポンプ４から圧送されて、第１バイパス流路を介してポンプ４の入口側に導かれる冷媒の量を調整することが可能となっている。
冷媒流量制御手段１６による流量調整弁１１の駆動制御、及び開閉弁３３の制御は、上記実施の形態１，２と同様に行われる。
【０１１６】
即ち、ポンプ４から圧送される冷媒流量が、膨張機２で適正処理される冷媒流量より大きくなる場合には、以下のような制御がなされる。
冷媒流量制御手段１６は、第１圧力センサ１３の出力に基づいて、ランキンサイクルの高圧側の冷媒の圧力が、許容される上限の圧力に近づいて上限圧力敷居値ＰＨ（ＭＡＸ）を超えたと判断すると、上記実施の形態１と同様、第１バイパス流路に流れ込む冷媒の量が、膨張機２に流入される冷媒が適切な流量となるように流量調整弁１１の開度及び開閉弁３３の開閉を制御する。
【０１１７】
ここで、上記実施の形態１〜４の第１バイパス手段１０Ａ，１０Ｂは、ポンプ４の出口から凝縮器３の入口側に至る第１バイパス流路を構成したが、この実施の形態５の第１バイパス手段１０Ｃは、ポンプ４の出口側からポンプ４の入口側に至るバイパス流路を構成するものである。
但し、第１バイパス流路は、ポンプ４から蒸発器５に至るまでの高圧側の冷媒流路と膨張機２から凝縮器３を介してポンプ４に至る低圧側の冷媒流路とを接続する点では、実施の形態１〜４と共通である。
このため、実施の形態５においても、実施の形態１と同様の効果が得られる。
【０１１８】
なお、この実施の形態５では、排熱回生システム１Ｄにおいて第１バイパス手段１０Ａに代え、バイパス手段１０Ｃを適用したものとしているが、排熱開始排熱回生システム１Ａにおいて、第１バイパス手段１０Ａに代え、第１バイパス手段１０Ｃを適用したものでもよい。
即ち、第１バイパス手段は、ポンプ４から蒸発器５を介して膨張機２に至る冷媒流路と膨張機２から凝縮器３を介してポンプ４に至る冷媒流路との間を接続する第１バイパス流路が形成するように設けてあればよい。
また、バイパス手段１０Ｃは、開閉弁３３を有するものとしたが、開閉弁３３は省略してもよい。
【０１１９】
また、上記各実施の形態では、回転電機は、発電機３０であるものとして説明したが、回転電機は、電動機であってもよい。つまり、排熱回生システム１Ａ〜１Ｅは、エンジン８の排熱を発電機３０の駆動用の動力として利用するものに限定されず、例えば、電動機の出力をエンジンの動力源の一部として利用されるように電動機とエンジン８とを接続し、エンジン８の排熱をエンジン等の駆動用の動力として利用するものであってもよい。
【符号の説明】
【０１２０】
１Ａ〜１Ｅ  排熱回生システム、２  膨張機、３  凝縮器、４  ポンプ、５  蒸発器、７  出力軸、１０Ａ〜１０Ｃ  第１バイパス手段、１１  流量調整弁（流量調整手段）、１３  第１圧力センサ、１４  第１温度センサ（高圧側温度センサ）、１６  冷媒流量制御手段、４０  第２バイパス手段、４１  冷媒タンク、４３ａ，４３ｂ  冷媒流入選択手段、５１  第２圧力センサ、５２  第２温度センサ（低圧側温度センサ）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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